Informe 7 analoga

Universidad Nacional de Colombia. Chaparro Arce. El transistor MOSFET: Caracterización y aplicación de compuertas lógicas Octubre de 2014

El transistor MOSFET. Caracterización y aplicaciones de compuertas lógicas digitales Daniel Felipe Chaparro Arce, Cod 2262208 

Abstract— The results obtained in the lab No. 7 of analog electronics, led to the characterization and basic implementation of MOSFET transistors and digital logic gates are evaluated. In this laboratory measurements of the characteristics of transistors in an integrated circuit located performed. From this the main considerations to take into account when working with mosfet transistors glimpsed. Resumen— A continuación se evaluarán los resultados obtenidos en la práctica de laboratorio N° 7 de electrónica análoga, dirigida a la caracterización e implementación básica de los transistores Mosfet y las compuertas lógicas digitales. En este laboratorio se realizaron las mediciones de las características de los transistores ubicados en un circuito integrado. A partir de esto se vislumbraron las principales consideraciones a tener en cuenta en el momento de trabajar con transistores mosfet. Palabras clave— Circuito integrado, transistor mosfet, compuerta lógica, zona de saturación, zona triodo.

generales del MOSFET se ven reflejadas en la industria de la telemedicina, ayudando en la medición de ondas cerebrales y pulso cardiaco; la implementación de circuitos electrónicos digitales por medio de compuertas lógicas, usados en la industria de la computación y la informática y la amplificación de sonido, uso requerido para múltiples aplicaciones electrónicas que van desde audífonos individuales hasta grandes y potentes altavoces usados en la industria del espectáculo. III. MATERIALES 1. 2. 3. 4. 5. 6.

1 Osciloscopio de dos canales. 1 Multímetro Fluke. 1 Fuente Dual. 3 Sondas. Resistencias de ¼ [W] (Según cálculos) Transistores MOSFET canal N enriquecimiento TC4007.

de

IV. MARCO TEÓRICO I. OBJETIVOS Verificar el comportamiento físico del transistor MOSFET y algunas aplicaciones. 1. Caracterizar el transistor MOSFET en términos de su curva característica. 2. Aplicar las propiedades del transistor MOSFET en el diseño, implementación y verificación de circuitos lógicos digitales. II. INTRODUCCIÓN El transistor MOSFET (Metal-Oxido-Semiconductor MOS) es un dispositivo de efecto de campo, semiconductor compuesto principalmente por dióxido de silicio. Su principal función dentro de un circuito es controlar el paso de corriente a través del mismo para amplificar una señal determinada. Las aplicaciones más

El transistor de efecto de campo MOSFET es un dispositivo electrónico usado para amplificar una gran cantidad de señales eléctricas al controlar el paso de corriente dentro de un circuito determinado. La composición del MOSFET consta de 4 terminales diferentes que representan cada una de las partes internas del dispositivo; éstas son la Source (S), Drain (D), Gate (G) y Substrate (B); la composición de cada una de las partes es un semiconductor dopado que depende del tipo de MOSFET que se requiera usar. La terminal B generalmente está conectada internamente por lo que en el mercado se encuentran los transistores con 3 terminales. [1] En la actualidad se encuentran disponibles 2 tipos de MOSFET, los de enriquecimiento y los de empobrecimiento. Los transistores de enriquecimiento funcionan al crear un canal entre las terminales S y D

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por medio de una tensión proporcionada a G que regula la corriente del circuito; su valor depende estrictamente de la clase de MOSFET, puesto que existen transistores tipo N y tipo P cuyo nombre se basa en la composición del sustrato de B. En la figura 1.a se observa la composición de un transistor de enriquecimiento y en la figura 1.b su representación gráfica [1].

Figura 2: Composición y simbología de MOSFET de enriquecimiento tipo N. [3] [2]

Figura 1: Composición y simbología de MOSFET de enriquecimiento. [2]

Por otro lado, en los MOSFET de empobrecimiento ya está presente el canal para la regulación de corriente. Para su control y funcionamiento de conecta una fuente de tensión en G de tal manera que pueda controlar el paso de la corriente al cerrar el canal presente entre D y S y así amplificar una señal proveniente de G. Al igual que en los transistores de enriquecimiento, el valor de la fuente en G depende de la composición del MOSFET y del tipo de semiconductor del que esté fabricado (Tipo N o tipo P). En la figura 2.a y 2.b se muestra la composición y simbología de un transistor MOSFET de empobrecimiento tipo N [2].

El funcionamiento del MOSFET depende de la tensión suministrada por la fuente ubicada en G, encargada de abrir o cerrar el canal por el que pasa la corriente; para que esto suceda, la tensión debe ser mayor a un voltaje umbral (VT) en el caso de los MOSFET de enriquecimiento y menores en el caso de los de empobrecimiento; de igual manera VT tendrá valores positivos para los transistores de enriquecimiento tipo P y para los de empobrecimiento tipo N. El valor será negativo en los otros casos. El comportamiento de la corriente ID en función de la tensión VDS de un transistor de enriquecimiento es muy similar al de empobrecimiento. En la respectiva gráfica (figura 3) de un transistor de empobrecimiento tipo N se puede observar la presencia de 3 regiones; la región triodo, de saturación y de corte (ubicada en valores negativos de ID. [3]

Figura 3: Curva IDvsVDS de un MOSFET de empobrecimiento tipo N. [2]

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Con el ánimo de no ahondar más en la teoría que de por si es muy extensa, tenemos que en la zona de corte la corriente ID se no tiene ningún valor. 𝐼𝐷 = 0𝐴 [2]

Por otro, en la zona de triodo, se comporta de manera similar a una resistencia. (K es un valor dado por el fabricante del transistor). 𝐼𝐷 = 𝐾((𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇 ) ∗ 𝑉𝐷𝑆 −

𝑉𝐷𝑆 2 ) 2

[2]

La zona de saturación es la más importante en estos momentos para el curso, por esta razón, una de las fórmulas más importantes será la de la corriente en esta zona, dada por.

Figura 4: Caracterización MOSFET TC4007 [6]

𝐼𝐷 = 𝐾(𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇 )2 [2]

Visto desde esta manera, la zona de saturación en un transistor tipo N se da cuando. 𝑉𝐷𝑆 ≥ 𝑉𝐺𝑆 −𝑉𝑇 [5]

Por otro lado, en un transistor tipo P, la zona de saturación se presenta cuando. 𝑉𝐷𝑆 ≤ 𝑉𝐺𝑆 −𝑉𝑇 [5]

V. PROCEDIMIENTO

1.

Caracterización del transistor MOSFET usándolo como fuente de corriente “Modelo SCS” (Switch Current Source).

En esta parte del laboratorio, se realizó el montaje propuesto de la figura 5; en el que se utilizó un transistor MOSFET canal N de enriquecimiento TC4007 integrado, ilustrado en la figura 4. Para realizar el respectivo montaje se respondieron las preguntas propuestas por la guía para mejorar el entendimiento acerca de la teoría.

Figura 5: Configuración de transistor MOSFET para fuente de corriente [4]

-

¿Qué función cumple el diodo dentro de este circuito?

La función del diodo en el circuito propuesto es la de regular el paso de corriente en una sola dirección; de este modo, la tensión en VDS será positiva y el transistor estará en la zona de saturación puesto que es tipo N. -

¿Por qué la fuente alterna debe ser triangular?

-

¿Para qué se mide la señal en los dos canales y qué se mide en cada uno de ellos?

Según la configuración recomendada en la clase, en el canal 1 se mide la tensión VDS y en el canal dos. Por otro lado, en la medición del canal dos, debido a que no es posible medir con el osciloscopio la corriente ID se 3


mide la tensión en la resistencia de carga para vislumbrar la corriente. -

¿Por qué se tiene un potenciómetro antes del Gate, cuál es su función?

Según la configuración propuesta de la figura 5, el valor de VGS depende de las resistencias conectadas en G por lo que S está conectado y representa la tierra. De esta manera, cuando la resistencia varíe, el voltaje también lo hará, considerando que siempre se encuentra en la zona de saturación. Figura 6: Curva característica del transistor invertida

-

¿Cómo se puede caracterizar el transistor MOSFET mediante el uso de este circuito?

En primer lugar para caracterizar un transistor MOSFET es necesario conocer tres variables; k, Rds y VT. Para el transistor usado, se sabe que es necesario que VGS > VT para que el canal exista y se genere una corriente ID. Por lo tanto, la tensión VT se obtendrá al variar las diferentes tensiones en G hasta que se vislumbre que el transistor comienza a funcionar; por otro lado, para obtener K es necesario medir la corriente ID de algún punto y por medio de la ecuación característica es posible hallar K. De igual manera se halla Rds partiendo la pendiente en la gráfica de la figura 3 concerniente al experimento. -

¿Qué forma tendrá la curva característica del transistor (ID vs VDS)?

Luego de variar la tensión G, se encontró que a aproximadamente 1.7V se creaba el canal porque a ese valor comenzó a fluir corriente por el circuito. De esta manera y para efector prácticos VT=1.7V. Según lo propuesto en la guía de laboratorio, se procedió a obtener la curva característica del transistor para 5 distintos valores de VGS, teniendo en cuenta su respectiva corriente hallada gracias al valor la resistencia de salida (100Ω) y su respectiva corriente medida con un multímetro. Al realizar este procedimiento se obtuvieron las gráficas concernientes a las figura 7.a, 7.b, 7.c, 7.d y 7.e; de igual manera, luego de realizar las mediciones y los cálculos correspondientes, se obtuvieron los valores de la tabla 1.

La curva será muy similar a la presentada en la figura 3, características de los MOSFET.

Al tener claros los anteriores interrogantes, se procedió a realizar el montaje y apreciar la gráfica de ID vs VDS del transistor, arrojando como resultado la gráfica de la figura 6. Cabe aclarar que para obtener la curva característica del transistor es necesario invertir el canal 2, por lo que la gráfica obtenida por el osciloscopio es inversa a la esperada, esto debido a la polaridad en que está conectado el circuito. Por esta razón es posible decir que los resultados obtenidos son los esperados. Figura 7.a: Curva característica del transistor con VGS=5.17V.

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Figura 7.b: Curva característica del transistor con VGS=7.48V.

Figura 7.e: Curva característica del transistor con VGS=14.75V.

Medición a. b. c. d. e.

VGS [V] 5.17 7.48 10 12.1 14.75

V100Ω [V] 0.39 1.1 1.9 2 2.2

ID [mA] 3.9 11 19 20 22

Tabla 1: Resultados primera parte del laboratorio

Al tener las mediciones dadas, se procedió a hallar el valor de K, este valor se halló usando los datos obtenidos en la medición c de la siguiente manera. 𝐾=

Figura 7.c: Curva característica del transistor con VGS=10V.

𝐼𝐷 𝜇𝐴 = 275.8 [ 2 ] 2 (𝑉𝐺𝑆 − 𝑉𝑇 ) 𝑉

Para finalizar la primera parte de la práctica, se halló el valor concerniente a la resistencia Rds partiendo de la pendiente obtenida en la gráfica de la medición c, estudiada de manera autónoma. Luego de esto se obtuvo que. 100 ∗ 1 𝑅𝑑𝑠 = = 400𝐾𝛺 1.5 − 1.25 2. El MOSFET como un Switch “Modelo S”

Figura 7.d: Curva característica del transistor con VGS=12.1V.

En la segunda parte de la práctica de laboratorio se usaron distintas configuraciones de compuertas lógicas digitales. Previo a la práctica, se investigaron los diferentes tipos de compuertas (NMOS, PMOS, CMOS) y se logró evidenciar que la mejor opción para llevar a la práctica son las compuertas CMOS. Esta consideración se basó en la exactitud de sus mediciones 5


debido a que los cambios de resistencia no producen que la salida difiera en gran medida.

compuerta usada para poder obtener los datos se denomina NAND, ilustrada en las simulaciones.

Según los circuitos propuestos en la guía, concernientes a las figuras 8 y 9 (OR, NOT), luego de un proceso de análisis se encontró que las tablas de verdad de los circuitos son las correspondientes a las tablas 2 y 3 respectivamente.

Tabla 4: Tabla de verdad propuesta [4]

Luego de realizar las respectivas comparaciones acerca del comportamiento de los circuitos NAND, NOR y NOT se procedió a realizar diferentes combinaciones hasta obtener las compuertas AND y OR, encontradas al negar las NAND y la NOR y representadas en las figuras de las simulaciones.

Figura 8: Circuito lógico 1 [4]

Para finalizar esta parte del laboratorio, se procedió a realizar el montaje del circuito inversor. Luego de observar su comportamiento se obtuvo la función de transferencia representada en la figura 10, teniendo en cuenta que se usó una tensión de polarización VDD=5V.

Figura 9: Circuito lógico 2 [4] Figura 10: Función de transferencia inversor MOSFET

Al realizar los cálculos requeridos para hallar los valores requeridos por la práctica, se encontró que: 𝑉𝑂𝐿 ≈ 0𝑉 𝑉𝑂𝐿 ≈ 4.87𝑉 𝑉𝑂𝐿 ≈ 1.77𝑉 Tablas 2 y 3: Tablas de verdad circuitos lógicos propuestos

𝑉𝑂𝐿 ≈ 2.75𝑉 De igual manera para la tabla de verdad propuesta en la guía correspondiente a la tabla 4, se encontró que la

Según los resultados obtenidos, se puede apreciar su semejanza con los datos respectivos del datasheet del 6


dispositivo, lo que corrobora la veracidad de los datos obtenidos por el laboratorio. [6] 3. El Mosfet en la región triodo “Modelo SR” Al analizar el inversor MOSFET de la sección anterior, con valores de resistencias de Ron=40Ω y Roff=5MΩ. Al usar el valor de 40Ω, el transistor actúa en forma de corto circuito, de manera que es posible afirmar que:

𝑉𝑂𝑈𝑇 =

40 ∗ 5 = 0.002𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 100000 + 40

Figura 11: Simulación de circuito en configuración de transistor MOFSFET como fuente de corriente

Al considerar un transistor ideal, se puede vislumbrar que la tensión de salida es de 0V. Análogamente, al considerar la resistencia de 5MΩ es posible concluir que para un transistor ideal, la tensión de salida será de 5V, en el caso de nuestro circuito, entonces: 𝑉𝑂𝑈𝑇 =

5 ∗ 5(106 ) = 4.9𝑉𝑜𝑙𝑡𝑠 100(103 ) + 5(106 )

Luego de esto se buscó determinar las resistencias ON y OFF. Para esto, se procedió a medir la tensión de salida al usar un voltaje de entrada de 5V, lo que produjo una tensión de salida de 2.23V. Teniendo este valor se tiene que: 5 − 2.23 𝐼𝐷 = = 1.385𝑚𝐴 2(103 )

Figura 12: Gráfica correspondiente al circuito de MOSFET como fuente de corriente

Al tener la corriente de salida, es posible calcular Ron, por medio de: 2.23 𝑅𝑂𝑁 = = 1610.1Ω 1.385(10−3 ) Para finalizar el laboratorio, se procedió a usar una resistencia de 10G Ω, lo cual arrojó una tensión de salida de aproximadamente 3V, por lo que se tendría que: 3 𝑅𝑂𝐹𝐹 = = 15𝐺Ω 𝐼 Nota: En este cálculo en particular se me presentaron algunos problemas, por lo que los resultados podrían variar de los reales.

Figura 13: Simulación de circuito inversor con transistor NMOS

VI. SIMULACIONES

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Figura 14: Gráfica correspondiente a curva de transferencia circuito inversor Figura 17: Simulación de compuerta lógica OR con transistores MOSFET

Figura 18: Gráfica correspondiente a respuesta de circuito OR

VII. CONCLUSIONES Figura 15: Simulación de compuerta lógica NAND con transistores MOSFET

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Figura 16: Gráfica correspondiente a respuesta del circuito NAND

Los transistores MOSFET representan un elemento indispensable en el desarrollo de la electrónica; sus aplicaciones, ya sea en la utilización de fuentes de corriente o en la creación de compuertas lógicas digitales facilitan en gran medida el diseño y la construcción de una gran variedad de artefactos tecnológicos que facilitan la vida del ser humano. Como se pudo observar en el desarrollo de la práctica, los resultados experimentales difieren con respecto a los valores previstos por medio de la teoría. Más aún debido a la fragilidad de los transistores en cuanto a manejo se refiere; de esta manera, entre mejor sea la manipulación de los dispositivos, mejor serán

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los resultados obtenidos y se acercarán más a los esperados por medio de la teoría. Las aplicaciones de los transistores MOSFET representan una gran ayuda en la vida de los seres humanos; elementos como los amplificadores de sonido, usados por la gran mayoría de humanos en el planeta son el ejemplo más claro de aplicación de este tipo de dispositivos; de esta manera la variación de corriente en forma de señal es uno de los procesos más importantes en la electrónica.

VIII. BIBLIOGRAFÍA [1] R. L. Boylestad. Electrónica: Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos. 10rd ed. Pearson Educarion. New York, 2009. [2] A. Sedra and K. Smith, Microelectronic Circuits Revised Edition, 5rd ed. New York, US: Oxford University Press, Inc. 2007.

[3] Muhammad H. Rashid. Circuitos Microelectrónicos, análisis y diseño. 2th Ed. Traducción, Navarro Salas. US: Universidad de Florida, International Thomson Editores. 2000. [4] Tarquino Gonzalez Jonnathan Steve. El transistor MOSFET. Caracterización y aplicaciones en compuertas lógicas digitales. Bogotá, Colombia: Universidad Nacional de Colombia, Electrónica análoga 1. 2014 II. [5] Chaparro A. Daniel F. Notas de clase Electrónica Análoga I. Profesor Pablo Rodríguez. Universidad Nacional de Colombia. Bogotá, Colombia. 2014 III. [6] Electronic Components Datasheets Search. Datasheet CD4007CN. USA. 2014. Consultado en

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